RU2703671C1 - Non-contact electrometer amplifier and feedback circuit - Google Patents
Non-contact electrometer amplifier and feedback circuit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703671C1 RU2703671C1 RU2018147058A RU2018147058A RU2703671C1 RU 2703671 C1 RU2703671 C1 RU 2703671C1 RU 2018147058 A RU2018147058 A RU 2018147058A RU 2018147058 A RU2018147058 A RU 2018147058A RU 2703671 C1 RU2703671 C1 RU 2703671C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- input
- junctions
- output
- series
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/45—Differential amplifiers
- H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
- H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/181—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
- H03F3/183—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/185—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only with field-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/181—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
- H03F3/183—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/187—Low frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
- H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
- H03F2203/45174—Indexing scheme relating to differential amplifiers the application of the differential amplifier being in an integrator circuit
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области измерения электрических величин, а более точно, к бесконтактной регистрации и измерению изменений электрического потенциала на поверхности объекта, например, в электроэнцефалографии.The invention relates to the field of measuring electrical quantities, and more precisely, to non-contact registration and measurement of changes in electric potential on the surface of an object, for example, in electroencephalography.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Известно, что при использовании усилителей постоянного тока с разделительной емкостью, образуемой при использовании бесконтактного электрометра, необходимо обеспечить подачу напряжения нулевого смещения на вход усилителя, используя обратную связь по постоянному току. Но цепь обратной связи, состоящая из резисторов, не подходит для усиления слабых сигналов из-за неприемлемо большого теплового шума резисторов.It is known that when using DC amplifiers with a separation capacitance formed when using a non-contact electrometer, it is necessary to provide a voltage of zero bias to the input of the amplifier using DC feedback. But the feedback loop consisting of resistors is not suitable for amplifying weak signals due to the unacceptably high thermal noise of the resistors.
Известны, раскрытые в патенте США US 9559647 от 31.01.2017, усилитель, выполненный с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, и, соответственно, цепь обратной связи усилителя, включающая интегратор, подключаемый к выходу усилителя, и два последовательно соединенные р-n перехода (диода), подключаемые общей точкой к входу усилителя. Эти известные усилитель и цепь обратной связи являются прототипами заявленных технических решений.Known, disclosed in US patent US 9559647 from 01/31/2017, an amplifier made with feedback, including an inverting integrator connected to the output of the amplifier, and two series-connected pn junctions connected by their common point to the input of the amplifier, and, accordingly, amplifier feedback circuit, including an integrator connected to the amplifier output, and two pn junctions (diodes) connected in series, connected by a common point to the amplifier input. These well-known amplifier and feedback circuit are prototypes of the claimed technical solutions.
Усилитель, раскрытый в патенте США US 9559647 от 31.01.2017, предназначен для усиления сигнала емкостного датчика во многом сходного при функционировании с датчиком разности потенциалов (электрометром). В этих известных технических решениях использованы два диода, включенные встречно-параллельно, а для стабилизации постоянной составляющей предусмотрена подача напряжения смещения нуля с использованием интегратора, выполненного из транскондуктансного усилителя (transconductance amplifier) и конденсатора. Снижение уровня шума достигается за счет высокого динамического сопротивления р-n перехода без смещения (с нулевым смещением).The amplifier disclosed in US patent US 9559647 dated 01/31/2017 is intended to amplify the signal of a capacitive sensor in many respects similar when operating with a potential difference sensor (electrometer). In these known technical solutions, two diodes are used, connected in parallel, and to stabilize the DC component, a bias voltage of zero is provided using an integrator made of a transconductance amplifier and a capacitor. Noise reduction is achieved due to the high dynamic resistance of the pn junction without bias (with zero bias).
Вместе с тем, известный усилитель предназначен для усиления сигнала микрофона, и не предназначен для усиления сравнительно более слабых сигналов (единицы микровольт) электрической активности мозга в диапазоне частот от долей Гц до единиц Гц. В этом случае, достигаемое в известном усилителе и при использовании известной цепи обратной связи снижение шума недостаточно.At the same time, the known amplifier is designed to amplify the microphone signal, and is not intended to amplify relatively weaker signals (units of microvolts) of brain electrical activity in the frequency range from fractions of Hz to units of Hz. In this case, the noise reduction achieved in the known amplifier and using the known feedback circuit is not enough.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технический результат, достигаемый в заявленном усилителя бесконтактного электрометра и при использовании заявленной цепи обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, заключается в снижении уровня шума усилителя.The technical result achieved in the claimed contactless electrometer amplifier and using the claimed feedback circuit of the contactless electrometer amplifier is to reduce the noise level of the amplifier.
Указанный технический результат достигается в усилителе бесконтактного электрометра, выполненном с обратной связью, включающей инвертирующий интегратор, подключенный к выходу усилителя, два последовательно соединенные р-n перехода, подключенные своей общей точкой к входу усилителя, и цепь смещения двух последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, при этом средняя точка цепи смещения подключена к выходу инвертирующего интегратора.The specified technical result is achieved in a non-contact electrometer amplifier with feedback, including an inverting integrator connected to the amplifier output, two pn junctions connected in series, connected by its common point to the amplifier input, and a bias circuit of two pn junctions connected in series in the opposite direction, while the midpoint of the bias circuit is connected to the output of the inverting integrator.
Инвертирующий интегратор в цепи обратной связи может быть соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор, второй вход которого подключен к выходу усилителя. Второй вход аналогового сумматора может быть подключен к выходу усилителя через фильтр высоких частот.An inverting integrator in the feedback circuit can be connected to the midpoint of the bias circuit through an analog adder, the second input of which is connected to the output of the amplifier. The second input of the analog adder can be connected to the output of the amplifier through a high-pass filter.
Указанный технический результат достигается при использовании цепи обратной связи усилителя бесконтактного электрометра, включающей инвертирующий интегратор с входом, подключаемым к выходу усилителя, и подключаемые к входу усилителя своей общей точкой два последовательно соединенные р-n перехода (например, диода или транзистора), смещенные оба в обратном направлении, а выход инвертирующего интегратора подключен к средней точке цепи смещения р-n переходов в обратном направлении.The specified technical result is achieved by using the feedback circuit of the amplifier of a non-contact electrometer, including an inverting integrator with an input connected to the output of the amplifier, and two series-connected pn junctions (for example, a diode or transistor) that are biased both in the opposite direction, and the output of the inverting integrator is connected to the midpoint of the bias circuit of pn junctions in the opposite direction.
Уменьшение уровня шума достигается увеличением динамического сопротивления р-n переходов путем смещения обоих последовательно соединенных р-n переходов в обратном направлении, т.е. использования рабочего участка на обратной ветви вольт-амперных характеристик р-n переходов.A decrease in noise level is achieved by increasing the dynamic resistance of pn junctions by shifting both pn junctions in series in the opposite direction, i.e. use of the working area on the reverse branch of the current-voltage characteristics of pn junctions.
Поскольку из-за неизбежного различия параметров р-n переходов возникает смещение нуля на выходе усилителя, в цепи обратной связи используется интегратор, подающий напряжения (нулевого смещения) смещения нуля с выхода усилителя и обеспечивающего восстановление нуля достаточно медленно, чтобы не оказывать существенное влияние на амплитудно-частотную характеристику усилителя в рабочем диапазоне частот.As a result of the inevitable difference in the parameters of the pn junctions, a zero bias occurs at the amplifier output, an integrator is used in the feedback circuit, which supplies the voltage (zero bias) of the zero bias from the amplifier output and ensures zero restoration slowly enough so as not to significantly affect the amplitude - frequency response of the amplifier in the operating frequency range.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 показан первый вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.In FIG. 1 shows a first embodiment of a block diagram of an electrometer measuring biopotential.
На фиг. 2 показан второй вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.In FIG. 2 shows a second embodiment of a block diagram of an electrometer measuring biopotential.
На фиг. 3 показан третий вариант блок схемы электрометра, измеряющего биопотенциал.In FIG. 3 shows a third embodiment of a block diagram of an electrometer measuring biopotential.
На фиг. 4 показан вариант принципиальной схемы усилителя.In FIG. 4 shows an embodiment of a circuit diagram of an amplifier.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
При регистрации изменений поверхностных биопотенциалов бесконтактным электрометром, образуемая разделительная емкость (между электродом электрометра и поверхностью кожи) не может быть менее десятков пикофарад, а исследуемый диапазон частот начинается с долей герца. Поэтому постоянная времени фильтра, образованного разделительной емкостью и входным сопротивлением усилителя должна быть порядка одной секунды, что требует использования усилителя с входным сопротивлением десятки Гигаом. Предполагается, что «земля» электрометра соединена с объектом (телом), т.е. предполагается наличие общей точки и, таким образом, выравнивание в первом приближении постоянной составляющей потенциалов электрода электрометра и поверхности кожи объекта. Тем не менее, существенное, т.е. препятствующее измерениям постоянное напряжение может быть на разделительной емкости, в частности, из-за возникновения тока утечки.When recording changes in surface biopotentials with a non-contact electrometer, the separation capacitance formed (between the electrometer electrode and the skin surface) cannot be less than tens of picofarads, and the studied frequency range begins with a fraction of hertz. Therefore, the time constant of the filter formed by the separation capacity and the input impedance of the amplifier should be of the order of one second, which requires the use of an amplifier with an input impedance of tens of Giga. It is assumed that the "ground" of the electrometer is connected to an object (body), i.e. it is assumed that there is a common point and, thus, alignment as a first approximation of the constant component of the potentials of the electrometer electrode and the skin surface of the object. However, significant, i.e. the dc voltage that interferes with measurements may be on the separation capacitance, in particular due to the occurrence of a leakage current.
Задача состоит в том, чтобы допустить только незначительное постоянное напряжение на образуемой разделительной емкости, так как иначе изменения этой емкости в результате вибрации или иных внешних воздействий будут приводить к изменению образовавшегося постоянного напряжения на разделительной емкости, вызывая так называемый микрофонный эффект. При измерении биопотенциалов величина полезного сигнала составляет единицы микровольт, а емкость может изменяться на единицы процентов. Таким образом, точные измерения изменения биопотенциала предполагают, что постоянное напряжение на разделительной емкости не должно превышать десятков или даже единиц микровольт.The task is to allow only a slight constant voltage on the formed separation capacitance, since otherwise changes in this capacitance as a result of vibration or other external influences will lead to a change in the formed constant voltage on the separation capacitance, causing the so-called microphone effect. When measuring biopotentials, the value of the useful signal is units of microvolts, and the capacitance can vary by units of percent. Thus, accurate measurements of changes in biopotential suggest that the constant voltage at the separation capacitance should not exceed tens or even units of microvolts.
На фиг. 1 показана блок-схема усилителя с обратной связью для электрометра, включающего неинвертирующий усилитель 1 постоянного тока, подключенный к разделительной емкости 2, образованной электродом при использовании электрометра, два последовательно соединенные р-n перехода 3 и 4, инверирующий интегратор 5 и две цепи смещения уровня напряжения 6 и 7. Вход интегратора 5 подключен к выходу усилителя 1, а его выход через цепи смещения уровня напряжения 6 и 7 соединены с двумя последовательно соединенными р-n переходами 3 и 4, чтобы обеспечить обратное смещение на этих р-n переходах, причем общая точка р-n переходов 3 и 4 соединена со входом усилителя 1.In FIG. 1 shows a block diagram of a feedback amplifier for an electrometer, including a
Постоянная составляющая напряжения на входе усилителя определяется балансом обратных токов р-n переходов и током входа усилителя. В случае наличия постоянной составляющей на выходе усилителя, обусловленной токами утечки или зарядом конденсатора 2, возникшим в результате воздействия импульсной помехи, напряжение на выходе интегратора медленно, по сравнению с частотами рабочего диапазона, изменяется до тех пор, пока обратные токи р-n переходов не будут уравновешивать друг друга и входной ток усилителя при нулевом напряжении на входе усилителя.The constant component of the voltage at the input of the amplifier is determined by the balance of the reverse currents of the pn junctions and the current of the input of the amplifier. In the case of the presence of a constant component at the output of the amplifier, due to leakage currents or the charge of the
Интегратор, как это показано на фиг. 2, соединен со средней точкой цепи смещения через аналоговый сумматор 8, второй вход которого подключен к выходу усилителя через фильтр 9, пропускающий высокие частоты. Параметры сумматора и фильтра должны быть выбраны таким образом, чтобы в рабочем диапазоне частот напряжение на цепях смещения уровня напряжения 6, 7 и соединенных с ними концах р-n переходов 3 и 4 повторяло напряжение на входе усилителя 1. Такое решение обеспечивает постоянное смещение на р-n переходах в большом диапазоне входных сигналов, что уменьшает нелинейные искажения. Кроме того, так как изменение напряжения на р-n переходах 3 и 4 в процессе усиления входного сигнала оказывается существенно меньше величины этого сигнала, такое решение позволяет нейтрализовать влияние емкости р-n перехода, тем самым уменьшить входную емкость усилителя в рабочем диапазоне частот и сделать коэффициент передачи усилителя более предсказуемым. Постоянные времени интегратора, фильтра и цепи, образованной входной емкостью 2 и динамическим сопротивлением переходов 3 и 4 согласованы чтобы обеспечить устойчивость усилителя, охваченного цепью обратной связи.The integrator, as shown in FIG. 2, is connected to the midpoint of the bias circuit through an
Предложенное решение может быть дополнено цепями защиты усилителя от перегрузки по входу или электростатического разряда, как это показано на фиг. 3. Здесь в схему добавлены диоды 10 и 11, соединенные с основным или вспомогательным источником питания. В случае перегрузки ток входа уходит через один из этих диодов на источник питания. Преимущество такого решения по сравнению с отдельными цепями защиты, обычно встраиваемых в усилитель 1, в том, что при реализации этого решения на одной микросхеме с усилителем 1 можно исключить диоды защиты этой микросхемы и уменьшить входную емкость усилителя.The proposed solution can be supplemented by protection circuits of the amplifier against input overload or electrostatic discharge, as shown in FIG. 3. Here,
На фиг. 4 приведен вариант реализации усилителя. В нем инвертирующий интегратор образован операционным усилителем DA2, резистором R3 и конденсатором С1, а смещение уровня, суммирование и фильтрация сигналов, осуществляемые блоками 6,7, 8, 9 в блок-схеме, представленной на фиг. 2, производятся цепями R1, R4, С2 и R2, R5, С3.In FIG. 4 shows an embodiment of an amplifier. In it, the inverting integrator is formed by the operational amplifier DA2, resistor R3, and capacitor C1, and the level offset, summing, and filtering of signals performed by
Claims (4)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018147058A RU2703671C1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Non-contact electrometer amplifier and feedback circuit |
US17/417,245 US20220077832A1 (en) | 2018-12-27 | 2019-11-21 | Amplifier for a contactless electrometer and feedback circuit |
PCT/RU2019/000838 WO2020139136A1 (en) | 2018-12-27 | 2019-11-21 | Booster of a contactless electrometer and feedback circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018147058A RU2703671C1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Non-contact electrometer amplifier and feedback circuit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2703671C1 true RU2703671C1 (en) | 2019-10-21 |
Family
ID=68318162
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018147058A RU2703671C1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Non-contact electrometer amplifier and feedback circuit |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220077832A1 (en) |
RU (1) | RU2703671C1 (en) |
WO (1) | WO2020139136A1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070018318A1 (en) * | 2005-07-20 | 2007-01-25 | Marsh Douglas G | Means of integrating a microphone in a standard integrated circuit process |
US20130266156A1 (en) * | 2012-04-04 | 2013-10-10 | Austriamicrosystems Ag | Sensor amplifier arrangement and method for amplification of a sensor signal |
US9559647B2 (en) * | 2012-05-21 | 2017-01-31 | Epcos Ag | Amplifier circuit |
RU2622844C1 (en) * | 2016-02-18 | 2017-06-20 | Дмитрий Семенович Стребков | Resonant parametric oscillator and method of electrical excitation of oscillations in parametric resonance generator |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3870968A (en) * | 1971-01-15 | 1975-03-11 | Monroe Electronics Inc | Electrometer voltage follower having MOSFET input stage |
US3851247A (en) * | 1972-07-06 | 1974-11-26 | R Vosteen | Electrometer arrangement with amplitude stabilized oscillator drive means for detector element |
US4498035A (en) * | 1980-12-23 | 1985-02-05 | Pavlo Bobrek | Control circuit for linearly controlling the speed and direction of an AC powered DC motor in accordance with the magnitude and polarity of a DC reference signal |
US8278909B2 (en) * | 2009-07-16 | 2012-10-02 | Mks Instruments, Inc. | Wide-dynamic range electrometer with a fast response |
SE534502C2 (en) * | 2009-09-14 | 2011-09-13 | Abletec As | Power Amplifier |
EP3896848B1 (en) * | 2017-03-16 | 2023-11-01 | Isotopx Ltd | An amplifier |
-
2018
- 2018-12-27 RU RU2018147058A patent/RU2703671C1/en active
-
2019
- 2019-11-21 US US17/417,245 patent/US20220077832A1/en not_active Abandoned
- 2019-11-21 WO PCT/RU2019/000838 patent/WO2020139136A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070018318A1 (en) * | 2005-07-20 | 2007-01-25 | Marsh Douglas G | Means of integrating a microphone in a standard integrated circuit process |
US20130266156A1 (en) * | 2012-04-04 | 2013-10-10 | Austriamicrosystems Ag | Sensor amplifier arrangement and method for amplification of a sensor signal |
US9559647B2 (en) * | 2012-05-21 | 2017-01-31 | Epcos Ag | Amplifier circuit |
RU2622844C1 (en) * | 2016-02-18 | 2017-06-20 | Дмитрий Семенович Стребков | Resonant parametric oscillator and method of electrical excitation of oscillations in parametric resonance generator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2020139136A1 (en) | 2020-07-02 |
US20220077832A1 (en) | 2022-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10823774B2 (en) | Sensor arrangement with a capacitive sensor and method for generating an amplified sensor signal with a capacitive sensor | |
JP6744695B2 (en) | Active shunt ammeter | |
Goswami et al. | DC suppressed high gain active CMOS instrumentation amplifier for biomedical application | |
RU2703671C1 (en) | Non-contact electrometer amplifier and feedback circuit | |
US8395432B2 (en) | Contactless electrical potential sensor circuit | |
US20050107674A1 (en) | DC offset cancellation techniques | |
US9817035B2 (en) | Impedance measuring circuit | |
Maghami et al. | Fully-integrated, large-time-constant, low-pass, Gm-C filter based on current conveyors | |
Huang et al. | Design of a low electrode offset and high CMRR instrumentation amplifier for ECG acquisition systems | |
Sundarasaradula et al. | A 0.7-V, 2.86-µW low-noise logarithmic amplifier for neural recording system | |
Webster | Amplifiers and signal processing | |
US10044325B2 (en) | Small signal amplifier | |
JPH09191227A (en) | Voltage smoothing circuit device | |
Sinha et al. | A 22nm±0.95 V CMOS OTA-C front-end with 50/60 Hz notch for biomedical signal acquisition | |
KR101001863B1 (en) | Contactless sensor circuit | |
Aqueel et al. | Subthreshold CMOS low-transconductance OTA for powerline interference elimination notch | |
Gupta et al. | High CMRR wide bandwidth instrumentation amplifier based on VDBA | |
US3624533A (en) | Differential preamplifier | |
JPH02152311A (en) | Agc circuit | |
Sirtoli et al. | Motion artifact mitigation using negative feedback in capacitively-coupled ECG | |
Chen et al. | A low-power current-mode front-end acquisition system for biopotential signal recording | |
Horestani et al. | Ultra-High-Resistance Pseudo-Resistors with Small Variations in a Wide Symmetrical Input Voltage Swing | |
Wong et al. | Zero-drift amplifiers: Now easy to use in high precision circuits | |
Lasanen et al. | A 1-V CMOS preprocessing chip for ECG measurements | |
Van Der Horst | A broadband, high common-mode rejection ratio instrumentation amplifier |